Особенности процесов диффузии в условиях сварки плавлением.

Диффузионные явления играют важную роль во многих процессах, протекающих при сварке. К числу таких процессов относится газонасыщение расплавленного металла капель и сварочной ванны; от диффузии в значительной мере зависит обмен между металлом и шлаком, т. е. раскисление, легирование металла и очищение его от вредных примесей. Диффузия вызывает перераспределение элементов в зоне сварного соединения, с диффузионными процессами связывают возникновение микронеоднородности сварных швов, наконец

без учета диффузии нельзя объяснить такие важнейшие процессы, как рост зерен, перераспределение напряжений по объему тела, рекристаллизацию, ползучесть сварных соединений и т. д.

При сварке плавлением взаимодействуют между собой газообразная, жидкая и твердая фазы, вследствие чего протекание диффузионных процессов возможно по следующим схемам:

1)между газовой и жидкой фазами;

2)в жидкой фазе;

3)на границе между несмешиваю-щимися жидкостями;

4)на границе между жидкостью и твердой фазой;

5)в твердой фазе.

Во всех перечисленных случаях условия протекания диффузии, а следовательно и активность диффузионных процессов, различны. Рассмотрим каждую из этих схем в отдельности:

1. Составляющие атмосферу дуги газы, адсорбированные поверхностью жидкого металла, диффундируют в него как в каплях, так и в сварочной ванне. В каплях наиболее благоприятны условия для диффузии газов.

Выше отмечалось влияние температуры на процессы диффузии. Так, повышение температуры с 21 до 950 °С увеличивает коэффициент диффузии азота в а-железе на 10 порядков (с 1,1 • 10~" до 3,1 10~в слР/сгк). Очевидно при температуре капель, составляющей для железа 2300 °С, величина этого коэффициента возрастает во много раз.

В рассматриваемом случае имеем дело с поверхностной диффузией, активность которой значительно выше активности аналогичных процессов, протекающих внутри жидкого или твердого тела.

Ускорению диффузии газов в капли электродного металла способствует также интенсивный отвод диффундирующего элемента в глубь металла, обусловленный активным перемещением внутренних и наружных объемов капли. Вследствие этого вблизи фазовой

Мт-тчт. °ю

Рис. 97. Кривые температурной зависимости коэффициентов диффузии И тория в вольфрам.

границы создаются высокие градиенты концентраций, в свою очередь способствующие активизации диффузии.

Диффузионные процессы между газовой средой и металлом сварочной ванны идут менее активно, чем в каплях, что связано с более низкой температурой металла ванны и меньшей относительной поверхностью реакции.

Таким образом, максимальное газонасыщение металла при сварке плавлением обычно наблюдается в каплях, тогда как в сварочной ванне избыточная часть газов стремится выделиться из металла.

В некоторых случаях имеет значение диффузия газов в твердый металл. Так, при сварке титана водород и азот окружающей среды могут активно диффундировать в глубь твердого металла на участках, нагретых до высокой температуры, и резко снижать качество сварных соединений. Чтобы избежать этого, приходится защищать не только расплавленный металл, но и всю зону нагрева от контакта с окружающей атмосферой.

2.Процессы диффузии элементов в расплавленных металлах изучены пока еще очень мало.

Коэффициенты диффузии элементов в жидкий металл близки между собой, тогда как по отношению к твердым металлам они отличаются друг от друга на несколько порядков. Для диффузии углерода в жидкую сталь при температуре 1550 °С ориентировочно можно принимать В — 5 • 10 -в сма/сек- Близкие значения получены и для диффузии Мп, N1 и Б.

3.Примером двух несмешивающихся жидкостей в условиях сварки могут служить расплавленные металл и шлак. На границе между ними постоянно осуществляется диффузионный обмен элементами, т. е. переход элементов из металла в шлак или наоборот. Если такой обмен протекает достаточно длительное время, элемент распределяется между жидкостями по закону Нернста.

Следует иметь в виду, что константа распределения элемента в зависимости от температуры жидкостей принимает различные значения, поскольку растворимость элемента в этих различных жидкостях при повышении или понижении температуры может изменяться неодинаково.

Диффузия между жидким металлом и шлаком протекает активнее в каплях и несколько менее активно в сварочной ванне, особенно в низкотемпературной ее части. Причиной этого является высокая температура и большая относительная поверхность реакции у капель.

4.Диффузионные процессы на границе между твердым и жидким телом обладают той особенностью, что скорость их определяется интенсивностью диффузии в твердом теле, так как она обычно во много раз меньше скорости диффузии в жидкости.

Скорость диффузии на границе раздела жидкой и твердой фаз зависит от разности концентрации диффундирующего элемента в них, но определяется не только этим фактором. Даже если контактируют твердая и жидкая фазы одного химического состава,